MULTIFUNKČNÍ ZDROJ Přenosný zdroj 1,2 - 25V / 0,5A při napájení ze sítě a 1,2 - 10V / 0,3A při napájení z akumulátoru Generátor obdélníkového signálu 0,1Hz - 30kHz Generátor melodie pro zkoušení audiotechniky s nastavitelnou intenzitou
Při vytváření dokumentace byly použity následující programy: CorelDraw! 9 CZE (navrhnutí plošného spoje) EasySIGN Czech (vyříznutí plošného spoje) Mozilla Firefox (hledání datasheetů k součástkám) Electronics Workbench (kreslení schémat) OpenOffice.org 2.0 (psaní dokumentace) Vytvořeno na Microsoft Windows XP Home Edition SP2
Jan Hrach, červenec 2005 - duben 2006
1. Obsah 1.
Obsah
2.
Úvod 2.1. 2.2. 2.3. 2.4.
Proč jsem zdroj postavil? Technická specifikace Proč má v sobě akumulátor? Seznam součástek a jejich cena
3.
Stavba 3.1. Návrh schématu a) Zdroj b) Generátor obdélníkového signálu c) Generátor melodie d) Indikátor nabitého akumulátoru 3.2. Návrh plošného spoje a proč 2 desky 3.3. Leptání 3.4. Vrtání 3.5. Osazení 3.6. Oživení 3.7. Ochranný lak 3.8. Krabička 3.9. Ovládací prvky 3.10. Chlazení 3.11. Bezpečnost
4.
Doplnění 4.1. Měřicí protokol 4.2. Funkce jednotlivých součástek
5.
Praktické využití 5.1. Nabíjení akumulátorů
6.
Závěr
2. Úvod 2.1. Proč jsem zdroj postavil? Svůj první zdroj jsem si postavil v lednu 2005. Byl složen z transformátoru 230V/18V 330mA, můstkového usměrňovače, kondenzátoru, stabilizátoru LM317 a voltmetru. Napětí na výstupu sice bylo docela rovné, ale při zátěži kolísalo a zdroj hrozně hřál. Později jsem začal potřebovat generátor obdélníkového signálu a melodický generátor. Používal jsem samostatná zařízení, ale bylo to nepraktické. Na konci června jsem začal promýšlet multifunkční zařízení, které by tyto funkce obsahovalo, a začal jsem kreslit schéma. Postupně jsem přidával další a další funkce až do dnešní podoby.
2.2. Technická specifikace Napájení
15 – 40V
Odběr proudu
< 600mA
Zdroj
1,2 – 25V/0,5A (síť), 1,2 - 10V/0,3A (akumulátor)
Generátor obdélníkového signálu
0,1Hz – 30kHz
Melodický generátor
0 – 2V
Doba nabíjení
8 hodin
Kapacita akumulátoru
800mAh
Napětí akumulátoru
12V
2.3. Proč má v sobě akumulátor? U svého staršího zdroje jsem za můstkový usměrňovač zapojil 2 kondenzátory 2200µF/35V, ale při připojení např. zesilovače byl slyšet silný brum. Ani po připojení dalších kondenzátorů na výstup se situace příliš nezlepšila. A tak jsem do tohoto zdroje zapojil akumulátor a zdroj používám z něj. Akumulátor má dokonale rovné napětí, a proto se brum neobjevuje. A zadruhé jsem zdroj chtěl používat bez dosahu zásuvky.
2.4. Seznam součástek a jejich cena Stabilizátor LM317T
2ks 30Kč Odpor 4,7Ω/2W
1ks
3Kč
Chladič na stabilizátor
1ks 15Kč Odpor 12Ω
1ks
1Kč
Chladič na odpor
1ks 10Kč Odpor 22Ω
1ks
1Kč
Dioda (křemíková)
5ks 5Kč
Odpor 100Ω
1ks
1Kč
LED
3ks 9Kč
Odpor 180Ω/5W
1ks
5Kč
Zenerova dioda 13V
1ks 3Kč
Odpor 220Ω*
2ks
2Kč
Zenerova dioda 3,9V
1ks 3Kč
Odpor 560Ω
1ks
1Kč
Tranzistor NPN
2ks 4Kč
Odpor 820Ω
1ks
1Kč
Kondenzátor 1mF/35V
1ks 5Kč
Odpor 2,2kΩ
1ks
1Kč
Kondenzátor 100µF/25V
2ks 6Kč
Odpor 5,6kΩ
1ks
1Kč
Kondenzátor 10µF/25V
1ks 3Kč
Odpor 6,8kΩ
1ks
1Kč
Kondenzátor 100nF
6ks 6Kč
Odpor 10kΩ
1ks
1Kč
Kondenzátor 100pF
1ks 1Kč
Trimr 5k
1ks
10Kč
Melodický generátor UM66T
1ks 25Kč Krokosvorky
2ks
10Kč
IO555
1ks 10Kč * Má být 240, ale 240 lze špatně sehnat
Potenciometr 25kΩ
1ks
15Kč
Potenciometr 5kΩ
1ks
15Kč
Potenciometr 500Ω
1ks
15Kč
DIP 6*
1ks
10Kč
Páčkový spínač
1ks
5Kč
Akumulátor 12V 800mAh
1ks
150Kč
Patice 8 pinů (4+4)
1ks
5Kč
Patice 6 pinů (3+3)
2ks
10Kč
Patice 24 pinů (1 řada)
1ks
20Kč
Hmatník na potenciometr
3ks
15Kč
Konektory do plošného spoje
9ks
18Kč
Koncovky na kabely
9ks
18Kč
Kufřík
1ks
99Kč
Svorky+kabely+kalafuna+chlorid železitý+cín+deska+vrták... *Stačilo by 5, ale 5 lze špatně sehnat
70Kč
3. Stavba 3.1. Návrh schématu 3.1.a Návrh schématu - zdroj Na počátku bylo tohle jednoduché schéma:
Stabilizátor LM317 se snaží, aby mezi vývody OUT a GND bylo napětí 1,25V. Pokud tedy LM317 zapojíme podle obr.1, na výstupu OUT bude proti zemi 1,25V (na vstupu IN musí být minimálně 5 V a z výstupu OUT by se mělo odebírat minimálně 2mA). Kondenzátory brání tomu, aby se stabilizátor rozkmital.
obr.1 Zapojením potenciometru 5kΩ a odporu 240Ω vytvoříme dělič. Když bude potenciometr nastaven na maximální odpor, bude na výstupu OUT stejné napětí jako na výstupu GND, stabilizátor nedosáhne rozdílu mezi OUT a GND 1,25V a bude napětí výstupu stále zvyšovat. Když bude potenciometr nastaven na minimální odpor, bude mezi výstupem OUT a GND skutečné napětí mezi OUT a zemí a tak stabilizátor bude napětí snižovat až na 1,25V. A nyní ke kompletnímu schématu.
Po zapojení adaptéru 30V se přes odpor R1 a diodu D1 rozsvítí zelená indikační LED D2. Dioda D1 je tam kvůli tomu, aby se LED při náhodném přepólování nepřepálila. Vysoká hodnota R1 je zde kvůli výkonové ztrátě na něm, kdyby LED diodou teklo 20mA, byla by jeho hodnota R = 28V/0,02A = 1400Ω = 1,4kΩ a jeho výkonová ztráta P = 28Vx0,02A = 0,56 W. Dále se přes diodu D3 nabíjí kondenzátor C1, který potlačuje zvlnění napětí ze zdroje. D3 je tam opět jako ochrana při přepólování. Z kondenzátoru C1 je napájena hlavní část zdroje, stabilizátor LM317. Z výstupu stabilizátoru vedeme elektřinu přes odpor R4 a ampérmetr M1 na výstupní svorky. Napětí je ještě vyhlazeno C4, C5 a C6 a měřeno voltmetrem M2. Odpor R4 měl sloužit jako velmi jednoduchá ochrana proti zkratu na
výstupu. Tak také slouží, ale osvědčil se jako nabíječka (viz kapitolu 5.1.). Pokud omezení proudu nebo nabíjení akumulátorů momentálně nevyžadujeme, sepneme spínač 2. Pokud je zdroj mimo dosah elektrické sítě, sepneme spínač 5 a zdroj začne pracovat z akumulátoru. Po delším používání z akumulátoru je potřeba akumulátor dobít sepnutím spínače 6. Akumulátor se nabíjí asi 8 hodin (proudem 90 – 100mA).
3.1.b Návrh schématu - generátor obdélníkového signálu
Funguje takto: Po zapnutí je kondenzátor vybitý, na vývodu 3 [OUT - výstup] je napětí vysoké a kondenzátor se nabíjí. Jakmile napětí na vývodu 6 [TH - práh] dosáhne 66% napájecího napětí, IO se překlopí a na vývodu 3 [OUT] je napětí blízké nule. Kondenzátor se vybíjí a po dosažení 33% napájecího napětí na vývodu 2 [TG - spouštění] se IO znovu překlopí, na vývodu 3 [OUT] je vysoké napětí a kondenzátor se nabíjí. Z výstupu (vývodu 3) odebíráme obdélníkové napětí přes odpor a diodu na bázi tranzistoru. Dioda je tam proto, že při logické 0 je na výstupu IO cca 0,8V a to občas spíná tranzistor. Hodnotu odporu volíme tak, aby tranzistorem procházel proud asi 1mA. R=U/I = R=(12-0,7-0,7)/0,001 = 10,6/0,001 = 10600Ω = 10kΩ.
3.1.c Návrh schématu - generátor melodie Využijeme obvodu UM 66 T (stojí cca 25 Kč).
Integrovaný obvod potřebuje napájení 1-2V, a proto je před ním na desce umístěn stabilizátor. Obvod má tendenci se rozkmitat, a proto je v zapojení také kondenzátor. Výstup z integrovaného obvodu vedeme přes rezistor na bázi tranzistoru, který signál zesílí. Odpor rezistoru opět vypočítáme tak, aby tranzistorem tekl proud 1mA: R=U/I = R=(1,5-0,7)/0,001 = 0,8/0,001 = 800Ω = 820Ω.
3.1.d Indikátor nabitého akumulátoru Při nabíjení akumulátoru je třeba nějakým způsobem indikovat, že akumulátor je již nabitý. K tomu slouží jednoduchý indikátor ze 3 (případně 4) součástek. Každý článek dosáhne při plném nabití 2,4V. Celý akumulátor tedy 2,4x6=14,4V. Prahové napětí červené LED je 1,8V, závěrné napětí Zenerovy na 13V cca 12,6V. Pokud tedy součástky zapojíme, rozsvítí se LED při asi 12,6+1,8=14,4V. Ne všechny Zenerovy diody jsou ale stejné, a proto pokud by se LED rozsvěcela příliš brzy, zapojíme ještě obyčejnou diodu (ta má prahové napětí 0,7V).
Celé zapojení potom tedy vypadá takto:
3.2. Návrh plošného spoje a proč 2 desky Plošný spoj navrhneme standardním způsobem. Snažíme se, abychom použili co nejméně drátových propojek. Kdesi jsem okoukal způsob montáže ovládacích prvků na desku otočenou o 90°. Odpadá tak nutnost spousty drátů na propojení ovládacích prvků s deskou. 2 desky použijeme proto, že jedna deska by byla velmi velká a špatně by se leptala, vrtala a osazovala. A nyní již k návrhům plošných spojů: 1. Hlavní deska (70x98,5mm):
2. Ovládací panel hlavní desky (31,7x72,5mm):
3. Deska s příslušenstvím (64x120,3mm):
4. Ovládací panel desky s příslušenstvím (41,1x139,2mm):
3.3. Leptání K vyleptání desky s plošnými spoji budeme potřebovat následující ingredience: 1. Ochranný lak nebo fólii, kterou potáhneme místa, kde má zůstat vrstvička mědi 2. Celkem 4 jednostranné desky potažené mědí: a) 8x11cm b) 4x8cm c) 7x13cm d) 5x15cm 3. Chlorid železitý 4. Větší plastovou nebo skleněnou nádobu 5. Velký hrnec s horkou vodou 6. Dřevěné kleště Postup: 1. Desky očistíme lihem a lehce přejedeme jemným smirkem 2. Na plotru vyřízneme obrazce plošného spoje (případně použijeme lihový fix nebo fotocestu) 3. Obrazce plošného spoje přeneseme na desky 4. Do nádoby nalijeme chlorid a položíme od horké vody 5. Desky vložíme pomocí dřevěných kleští do chloridu a kontrolujeme, jestli již nejsou vyleptány 6. Desky vyndáme a opláchneme vlažnou vodou 7. Odstraníme ochrannou fólii
3.4. Vrtání Vrtáme vrtáčkem o průměru 0,8 nebo 1 mm. Některé součástky mají tlustší vývody. Ty vrtáme vrtákem 1,2mm.
3.5. Osazení Při pájení pájíme kvalitním trubičkovým cínem s tavidlem. Cín se nám hodně rozteče, což je dobře, protože součástky dobře drží a protože obvodem na některých místech protéká proud až 1A, je potřeba, aby byl styk cínu s plošným spojem co největší. Osazujeme podle osazovacích plánků: 1. Hlavní deska
2. Ovládací panel hlavní desky
3. Deska s příslušenstvím
4. Ovládací panel desky s příslušenstvím
Nakonec spájíme desky spojů s deskami ovládacích prvků v úhlu 90°.
3.6. Oživení Po osazení propojíme desky kabely a zapojíme voltmetr, ampérmetr a akumulátor. Akumulátor se prodává již trochu nabitý. Zapneme spínač 5 a točíme potenciometrem. Ručka voltmetru by se měla hýbat. Nyní vše vypneme, melodický generátor vyndáme z patice a místo něj připojíme voltmetr. Točíme trimrem, až bude na výstupu stabilizátoru 1,5V. Melodický generátor zasuneme zpět do patice, zapneme spínač 4 a na výstupní svorky na 2. desce připojíme sluchátko. Uslyšíme melodii (pokud ne, zatočíme
potenciometrem na ovládání hlasitosti). Potom spínač 4 vypneme, generátor vyndáme a zkusíme trimrem nastavit 2V. Opět vše zapneme a poslechneme si melodii. Tento postup opakujeme (do maximálního napětí 3V), dokud zvuk není čistý. Potom trimr zakápneme kalafunou. Nyní zapneme spínač číslo 3 a otáčíme potenciometrem na ovládání frekvence (případně přepneme přepínač). LED by se měla rozblikat.
3.7. Ochranný lak Aby nám zdroj dlouho vydržel (měď má tendenci oxidovat), je vhodné po oživení natřít všechny čtyři desky ochranným lakem (nebo alespoň kalafunou rozpuštěnou v lihu). Po natření lakem již na desku nelze pájet, a proto desku natřeme až po úplném vyzkoušení funkčnosti.
3.8. Krabička Elektronika zdroje je velmi rozměrná (a akumulátor je také veliký), a proto se do obyčejných krabiček nevejde. Použijeme tedy kufřík. Zdroj do něj upevníme tak, že na dno zdroje přilepíme kousky Forexu (pěněného PVC) a do něj a do desky vyvrtáme díry. Do děr zašroubujeme šroubky, které podložíme gumovou podložkou, aby desky dobře držely. Poznámka: Šroubky nedotahujeme nadoraz, protože plastový kufřík se může trochu zkroutit a desky by nám mohly popraskat.
3.9. Ovládací prvky Na potenciometr a na spínač nasadíme vhodné kloboučky. DIP dáme do patice, protože by byl příliš zanořený v krabičce a špatně by se ovládal.
3.10. Chlazení Nejvíce hřeje rezistor pro nabíjení a stabilizátor na hlavní desce. Stabilizátor pro melodický generátor téměř nehřeje. Trochu ještě hřeje odpor 4,7Ω omezující proud tekoucí ze zdroje. Na rezistor dáme chladič (původně určený pro chlazení stabilizátoru) a zalepíme lepidlem. Na stabilizátor dáme chladič co největší a přišroubujeme.
Poznámka: Pokud by zdroj hřál, provrtáme do kufříku několik děr, případně zapojíme malý větráček.
3.11. Bezpečnost Zdroj je napájen přes síťový adaptér, proto není nebezpečný. Poznámka: Pokud občas zapomínáme, je možné zapojit ochranu proti přebití. Na internetu najdeme mnoho schémat.
4. Doplnění 4.1. Měřicí protokol Na všech diodách je v propustném směru při průchodu proudu 0,6V, na Zenerových diodách v závěrném směru jejich Zenerovo napětí. Na LED pokud svítí 2V. Báze-emitor tranzistoru 0,6V pokud je sepnut, nebo méně než 0,5 V pokud je rozepnut. Na sepnutých spínačích je do 0,01V. Na výstupu generátoru obdélníkového signálu buď 8-12V nebo méně než 0,5V.
4.2. Funkce jednotlivých součástek Na hlavní desce: Funkce je popsána v kapitole 3.1.a. Na desce s příslušenstvím: V kapitolách 3.1.b, 3.1.c a 3.1.d
5. Praktické využití Zdroj proudu potřebuje každý, kdo se zajímá o elektrotechniku (na oživování svých výrobků). Zdroj melodie potřebuje téměř každý, kdo se zabývá audiotechnikou (na zkoušení reproduktorů a zesilovačů). Zdroj obdélníkového signálu se hodí např. na pokusy s hradly..
5.1. Nabíjení akumulátorů Svůj zdroj jsem si uzpůsobil i pro nabíjení akumulátorů, zvláště netypických, jako jsou např. staré z mobilů, které potom mohu dále využít. Jak již bylo popsáno v kapitole 3.1.a, slouží k nabíjení akumulátorů rezistor R4. Postup při nabíjení: 1. Nastavíme výstupní napětí na minimum 2. Připojíme akumulátor 3. Pomalu výstupní napětí zvyšujeme, dokud proud nedosáhne dvojnásobku kapacity akumulátoru v mAh 4. Necháme 30 minut 5. Opět nastavíme proud na dvojnásobek kapacity akumulátoru v mAh 6. Necháme 6-7 hodin 7. Odpojíme Tímto způsobem lze nabíjet Ni-CD a Ni-MH akumulátory. Akumulátor by měl být před nabíjením vybit na 0,5-0,9V na článek.
6. Závěr Schéma i plošný spoj mého výrobku jsem navrhl sám. Vycházel jsem z těchto schémat:
Veškeré dotazy pište na
[email protected]
Jan Hrach, červenec 2005 - duben 2006
